EP0578531B1 - Distributed storage non-interruptable power supply system - Google Patents
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- EP0578531B1 EP0578531B1 EP93401641A EP93401641A EP0578531B1 EP 0578531 B1 EP0578531 B1 EP 0578531B1 EP 93401641 A EP93401641 A EP 93401641A EP 93401641 A EP93401641 A EP 93401641A EP 0578531 B1 EP0578531 B1 EP 0578531B1
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
- H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
- H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
- H02J9/062—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for AC powered loads
Definitions
- the present invention relates to a power supply system with distributed storage without interruption.
- the field of the invention is that of the power supply of telecommunications systems or electronic systems with sensitive operation, that is to say which do not tolerate cuts.
- a low-voltage switchboard 12 delivers a 400-volt three-phase voltage, which after distribution is received by the system 13 to be supplied comprising rectifiers 14 and 14 ', an accumulator battery 15, and converters 16 and 16'.
- a conversion is carried out so as to produce a direct voltage of 48 volts, ensuring both the supply of the system 13 and the recharging of the battery 15.
- the latter supplies the system, during an interruption of the alternating voltage, during the time required for the standby source to operate.
- the 48-volt voltage is distributed throughout the system to be supplied 13 and converted into several lower voltages, compatible with electronic cards (5 V ⁇ 12 V, etc.).
- the prior art computer systems are most often supplied by centralized "Uninterruptible Power Supplies" 17.
- These power supplies include, for example, a static converter 18, converters 19 and 20 and a 400 volt battery 21.
- power boards 23 and 23 ′ directly supply the DC voltages useful to the electronics ( 5 V, ⁇ 12 V, ...), from 230 volts AC.
- the subject of the invention is the production of a distributed storage supply system allowing the supply of sensitive electronic systems through a single conversion level in normal operation.
- the medium-duration power reserve supply circuit comprises an inverter operating in parallel ("off-line” mode).
- the system of the invention allows a cost saving of 20 to 30% in the systems considered from the distribution panel.
- the power supply system with continuously distributed storage of sensitive operating systems, which can be telecommunications systems or computer systems, is shown in FIG. 3. It comprises at least one power supply circuit with short-term energy reserve 30 associated with the system supplied and disposed as close as possible thereto, and a medium-duration energy reserve supply circuit 31, having a reaction time less than the autonomy time of the circuit short-term energy reserve supply circuit 30, this medium-duration energy reserve supply circuit 31 being located at the central level.
- the medium-duration energy storage circuit 31 is associated with an unmarked conversion device 33 placed on standby which is responsible for supplying the alternating voltage while waiting for the start-up of the long-term emergency power source 11.
- each short-term power reserve supply circuit 30 (less than 1 minute) becomes active to allow the electromechanical contactor 35 of the energy reserve supply circuit to switch.
- medium duration 31 (less than 1 hour), before starting the emergency source 11. This gives an power quality (1 x 10 -6 ), supply circuits with short-term power supply duration filtering network micro-breaks, for example less than 300 ms.
- this medium-duration power reserve supply circuit 31 is produced by adapting an Uninterruptible Power Supply (UPS) optimized trade.
- UPS Uninterruptible Power Supply
- the rectification-filtering function is limited to recharging the battery 34 after operation of the uninterruptible power supply following the interruption of the alternative distribution network 10.
- This circuit can be realized by a microcontroller, which allows to have under a reduced volume a significant computing power and a great flexibility for the control and the monitoring. In addition, it facilitates the subsequent addition of new functions.
- Such a circuit 46 advantageously comprises a central unit 47, a random access memory 48 and a display 49.
- the detection of the absence of the mains must allow the connection of the conversion circuit 41 to the storage circuit 43 in the event of the alternating source being cut off and vice versa in the event of restoration. In a manner known to those skilled in the art, this function can be carried out using threshold detectors. In addition, the role of this circuit 46 is to monitor if no fault appears on the conversion circuit 41 of a faulty battery. To check all these parameters, measurements are taken at the output of the conversion circuit 41.
- the short-term power reserve supply 30 uses a circuit conversion 41 continuous / continuous at very high energy density which has a good efficiency.
- This voltage converter can therefore be installed on a printed circuit and its thermal losses can then be removed by thermal convection by means of a suitable cooling device.
- This conversion circuit 41 also provides galvanic isolation between the high voltage AC network (input E) and the low voltage output (output S). It must offer a high rate of regulation of the output voltage S as a function of the fluctuations of the input voltage E and the load variations.
- this conversion circuit 41 To this conversion circuit 41 is associated a short-term energy storage circuit 43, rechargeable several hundred times after use. The discharge of this storage device 43 occurs when the system of the invention switches over to the medium-duration energy storage circuit 31.
- this short-term storage device 30 can use undersized sealed storage batteries. Such batteries can deliver a very large power, provided that the storage time is limited to protect them from any irreversibility. Such an arrangement is very economical. This storage could also be carried out using very high capacity capacitors (several Farads), in a reduced volume and capable of delivering a current of a few tens of amperes.
- the short-term emergency chain consisting of storage circuits 43, regulation 44 and charging 45 has the originality of being connected at a single point: at the output of the conversion circuit 41.
- This circuit 41 can therefore be of a common model and can evolve independently.
- the emergency chain draws the load power from the storage circuit 43 on the output of the circuit 41 to its normal voltage.
- the role of the charging circuit 45 is to make this output voltage compatible with the recharging of the storage circuit 43. It can be, for example, a non-isolated switching voltage booster with limited current.
- the coupling comes into operation as soon as the output voltage of the conversion circuit 41 crosses a low threshold. The commissioning of a coupling circuit can be anticipated by observing a low level on the input voltage.
- this coupling device can be produced in a simple manner using a transistor controlled by a linear regulator itself controlled by output and input voltage comparators, and a discharge duration timer. To reduce the voltage drop to the minimum (a few tens of mV) at high current (a few tens of amps), it is advantageous to use a low voltage MOSFET transistor, with very low internal resistance in conduction.
- the short-term reserve power supply circuit 30 is a 230 V / 5 V 30 A power reserve power supply offering autonomy of 5 to 10 minutes on battery.
- the high AC voltage of the network is directly converted into a DC output voltage by the conversion circuit.
- the storage circuit 43 maintains, via the regulation circuit 44, a constant output voltage for a voluntarily limited time, so as not to reduce the life of the storage circuit 43.
- the charging circuit 45 is started until the storage circuit 43 is fully charged.
- the vital functions are built in unprogrammed electronics, while those of high level are processed by a microcontroller which, moreover, provides information via the display 49 on the state of the system of the invention.
- Each storage circuit 43 may include modularly designed battery branches: chargers, regulators and batteries.
- the conversion circuit 41 itself can be a power supply module already designed to operate in parallel with other modules. We can therefore easily increase the power if necessary.
- the system of the invention may include around one hundred short-term power supply supply circuits 30 of 200 Watts each.
Description
La présente invention concerne un système d'alimentation à stockage réparti sans interruption.The present invention relates to a power supply system with distributed storage without interruption.
Le domaine de l'invention est celui de l'alimentation en énergie des systèmes de télécommunications ou systèmes électroniques à fonctionnement sensible, c'est-à-dire qui ne tolèrent pas les coupures.The field of the invention is that of the power supply of telecommunications systems or electronic systems with sensitive operation, that is to say which do not tolerate cuts.
Le système de l'invention s'applique particulièrement :
- aux techniques de conversion de l'énergie électrique telles la transformation du courant continu en courant alternatif et la transformation inverse du courant alternatif en courant continu,
- aux techniques de stockage de l'énergie électrique, en mettant en application les récents développements technologiques du domaine,
- à l'association judicieuse de ces différentes techniques et technologies.
- electrical energy conversion techniques such as the transformation of direct current into alternating current and the reverse transformation of alternating current into direct current,
- electrical energy storage techniques, applying recent technological developments in the field,
- the judicious association of these different techniques and technologies.
Comme décrit dans deux articles de J. Girard intitulés "Géode, un nouveau concept de l'alimentation en énergie des systèmes de télécommunications ("Echo des recherches", n° 113, 3ème trimestre 1983, pages 45 à 60) et "Geode : a new generation of power plant for telecommunications facilities" ("Commutation and transmission", numéro 4, 1986), les systèmes de télécommunications de l'art connu, comme celui représenté sur la figure 1, sont alimentés en courant continu sous une tension nominale de 48 volts. A partir du réseau public de distribution de l'énergie électrique 10 ou d'une source de secours 11 produisant une tension équivalente (tension alternative 230/400 V), un tableau basse tension 12 délivre une tension de 400 Volts triphasé, qui après distribution est reçue par le système 13 à alimenter comprenant des redresseurs 14 et 14', une batterie d'accumulateurs 15, et des convertisseurs 16 et 16'. Une conversion est effectuée de manière à produire une tension continue de 48 volts, assurant à la fois l'alimentation du système 13 et la recharge de la batterie 15. Cette dernière alimente le système, lors d'une coupure de la tension alternative, pendant le temps nécessaire à la mise en fonctionnement de la source de secours. La tension de 48 volts est distribuée dans tout le système à alimenter 13 et convertie en plusieurs tensions plus basses, compatibles avec les cartes électroniques (5 V ± 12 V, etc.).As described in two articles by J. Girard entitled "Géode, a new concept of the energy supply of telecommunications systems (" Echo of research ", n ° 113, 3rd quarter 1983,
Par contre, les systèmes informatiques de l'art connu, comme celui représenté sur la figure 2, sont alimentés le plus souvent par des alimentations dites "Sans Interruption" (ASI) 17 centralisées . Ces alimentations comprennent, par exemple, un convertisseur statique 18, des convertisseurs 19 et 20 et une batterie 400 volts 21. Dans l'équipement 22, des cartes d'alimentation 23 et 23' fournissent directement les tensions continues utiles à l'électronique (5 V, ±12 V,...), à partir du 230 volts alternatif.On the other hand, the prior art computer systems, such as that represented in FIG. 2, are most often supplied by centralized "Uninterruptible Power Supplies" 17. These power supplies include, for example, a
Si ces systèmes de l'art connu procurent une grande sécurité d'alimentation en affranchissant les systèmes alimentés des aléas de la fourniture de la tension primaire alternative, ils présentent toutefois de nombreux inconvénients.
- des inconvénients d'ordre technique :
- . Dans les systèmes de télécommunication, la nécessité de procéder à une conversion tension alternative-tension continue, pour alimenter une réserve d'énergie électrique sous la
tension 48 volts, réduit le rendement de la chaîne d'énergie de 10 à 20 %. De plus latension 48 volts,qui est utilisée pour téléalimenter les terminaux téléphoniques,ne sera plus adaptée aux futurs terminaux numériques. - . Les alimentations sans interruption qui alimentent les systèmes informatiques disposent en général de contacteurs statiques qui garantissent le basculement dans les meilleures conditions entre l'alimentation directe par le réseau public et l'alimentation filtrée via les redresseurs d'entrée suivi des onduleurs de sortie. Pour protéger le système contre les transitoires de basculement et offrir un niveau plus élevé de filtrage du réseau, ce dernier mode de fonctionnement est forcé en permanence. Ainsi, le rendement et la fiabilité sont ceux de ces trois niveaux de conversion mis en série. Ils sont alors nettement insuffisants pour l'alimentation de systèmes sensibles.
- . Dans les systèmes de télécommunication, la nécessité de procéder à une conversion tension alternative-tension continue, pour alimenter une réserve d'énergie électrique sous la
- des inconvénients d'ordre économique :
- . Les équipements mis en place pour la conversion tension alternative-tension continue sont dimensionnés pour satisfaire la puissance appelée par le système alimenté et sont par conséquent coûteux.
- technical disadvantages:
- . In telecommunication systems, the need to convert from alternating voltage to direct voltage, to supply a reserve of electrical energy at 48 volts, reduces the efficiency of the energy chain by 10 to 20%. In addition, the 48-volt voltage, which is used to power the telephone terminals, will no longer be suitable for future digital terminals.
- . The uninterruptible power supplies that supply IT systems generally have static contactors which guarantee the best possible switching between direct supply via the public network and filtered supply via the input rectifiers followed by the output inverters. To protect the system against failover transients and provide a higher level of network filtering, this latter mode of operation is permanently forced. Thus, the efficiency and reliability are those of these three conversion levels put in series. They are then clearly insufficient for the supply of sensitive systems.
- economic disadvantages:
- . The equipment installed for the conversion from alternating voltage to direct voltage is sized to meet the power demanded by the powered system and is therefore expensive.
L'invention a pour objet la réalisation d'un système d'alimentation à stockage reparti permettant l'alimentation de systèmes électroniques sensibles à travers un seul niveau de conversion en fonctionnement normal.The subject of the invention is the production of a distributed storage supply system allowing the supply of sensitive electronic systems through a single conversion level in normal operation.
L'invention propose, à cet effet, un système d'alimentation, à stockage réparti sans interruption, de systèmes à fonctionnement sensible, caractérisé en ce qu'il comprend :
- au moins un circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée associé à chaque système alimenté,
- un circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée ayant un délai de réaction inférieur au délai d'autonomie du circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée.
- at least one short-term power reserve supply circuit associated with each supplied system,
- a medium-duration power reserve supply circuit having a reaction time less than the autonomy period of the short-term energy reserve supply circuit.
Avantageusement, le circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée comprend un onduleur fonctionnant en parallèle (mode "off-line").Advantageously, the medium-duration power reserve supply circuit comprises an inverter operating in parallel ("off-line" mode).
Avantageusement, un circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée comprend successivement entre son entrée et sa sortie :
- un circuit de redressement et de filtrage,
- un circuit de conversion,
- un circuit de filtrage ;
- un circuit de stockage,
- un circuit de régulation,
- un circuit de charge du circuit de stockage ;
- a rectification and filtering circuit,
- a conversion circuit,
- a filtering circuit;
- a storage circuit,
- a regulation circuit,
- a storage circuit charging circuit;
Dans le système de l'invention ainsi caractérisé, la répartition du stockage et l'utilisation de matériels communs à plusieurs techniques conduisent à un principe d'alimentation à très haute fiabilité, à un encombrement réduit et à une maintenance aisée.In the system of the invention thus characterized, the distribution of storage and the use of materials common to several techniques lead to a supply principle with very high reliability, to a reduced bulk and to easy maintenance.
De plus, l'utilisation d'alimentation sans interruption banalisée complétée par la mise en oeuvre d'une exploitation simplifiée comparée à celle retenue pour les systèmes informatiques de l'art connu permet une réduction sensible des coûts d'investissement et d'exploitation de la chaîne d'énergie. En outre, le stockage courte durée associé aux convertisseurs intégrés dans les systèmes alimentés n'induit aucun surcoût significatif.In addition, the use of uninterrupted uninterrupted power supply supplemented by the implementation of a simplified operation compared to that adopted for the computer systems of the prior art allows a significant reduction in investment costs and of the energy chain. In addition, the short-term storage associated with the converters integrated in the powered systems does not entail any significant additional cost.
Par rapport aux systèmes de l'art connu, le système de l'invention permet un gain en coût de 20 à 30 % dans les systèmes considérés à partir du tableau de distribution.Compared to the systems of the known art, the system of the invention allows a cost saving of 20 to 30% in the systems considered from the distribution panel.
- Les figures 1 et 2 illustrent deux systèmes de l'art antérieur,FIGS. 1 and 2 illustrate two systems of the prior art,
- la figure 3 illustre le système de l'invention,FIG. 3 illustrates the system of the invention,
- la figure 4 illustre un circuit d'alimentation à réserve courte durée du système de l'invention.FIG. 4 illustrates a short-term supply supply circuit of the system of the invention.
Le système d'alimentation, selon l'invention, à stockage réparti sans interruption de systèmes à fonctionnement sensible, qui peuvent être des systèmes de télécommunication ou des systèmes informatiques, est représenté à la figure 3. Il comporte au moins un circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée 30 associé au système alimenté et disposé au plus près de celui-ci, et un circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée 31, ayant un délai de réaction inférieur au délai d'autonomie du circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée 30, ce circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée 31 étant situé au niveau central.The power supply system, according to the invention, with continuously distributed storage of sensitive operating systems, which can be telecommunications systems or computer systems, is shown in FIG. 3. It comprises at least one power supply circuit with short-
La distribution de l'énergie électrique 10 et la source de secours 11, qui existaient dans les deux dispositifs de l'art antérieur, ont été représentées avec les mêmes références.The distribution of
Le circuit de stockage de l'énergie moyenne durée 31 est associé à un dispositif de conversion banalisé 33 placé en veille qui est chargé de fournir la tension alternative en attendant le démarrage de la source d'énergie de secours longue durée 11.The medium-duration
Ainsi, si le réseau est coupé pendant quelques minutes, chaque circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée 30 (inférieur à 1 minute) devient actif pour permettre le basculement du contacteur électromécanique 35 du circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée 31 (inférieur à 1 heure), avant la mise en route de la source de secours 11. On obtient ainsi une qualité d'alimentation irréprochable (1 x 10-6), des circuits d'alimentation à réserve d'énergie ccurte durée filtrant les microcoupures du réseau, par exemple inférieures à 300 ms.Thus, if the network is cut for a few minutes, each short-term power reserve supply circuit 30 (less than 1 minute) becomes active to allow the
Le circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée, représenté sur la figure 3,comprend comprend :
- un transformateur de séparation 32 ayant pour objectif une grande sécurité des personnes, et la réalisation d'un premier filtrage des parasites de tous ordres émis par le réseau de
distribution 10, un onduleur 33 fonctionnant en parallèle ou mode "off-line", associé à une batterie 34 qui permet d'obtenir l'autonomie en état de veille ,- un contacteur électromécanique 35, par exemple de type ordinaire, permettant le basculement réseau-onduleur,
- une unité de commande 36 permettant de piloter ces différents éléments.
- a
separation transformer 32 having the objective of ensuring great safety for people, and carrying out a first filtering of parasites of all kinds emitted by thedistribution network 10, - an
inverter 33 operating in parallel or "off-line" mode, associated with abattery 34 which allows autonomy to be obtained in standby state, - an
electromechanical contactor 35, for example of the ordinary type, allowing the switching from grid to inverter, - a
control unit 36 for controlling these various elements.
Avantageusement, ce circuit d'alimentation à réserve d'énergie moyenne durée 31 est réalisé par l'adaptation d'une Alimentation Sans Interruption (ASI) du commerce optimisée. En particulier, la fonction redressement-filtrage est limitée à la recharge de la batterie 34 après fonctionnement de l'alimentation sans interruption suite à l'interruption du réseau alternatif de distribution 10.Advantageously, this medium-duration power
Comme représenté sur la figure 4, chaque circuit d'alimentation à réserve d'énergie courte durée 30 comprend successivement entre son entrée E (tension haute, alternative) et sa sortie S (tension basse) :
- un circuit de redressement et de filtrage 40,
- un circuit de
conversion 41, - un circuit de filtrage 42.
- a rectification and
filtering circuit 40, - a
conversion circuit 41, - a
filtering circuit 42.
Ce circuit 30 comprend également une chaîne de secours comprenant :
- un circuit de stockage 43,
- un circuit de régulation 44,
- un circuit de
charge 45 du circuit de stockage 43 ;
- a
storage circuit 43, - a
regulation circuit 44, - a charging
circuit 45 of thestorage circuit 43;
Dans la suite de la description, on va étudier successivement chacun de ces circuits.
- Le circuit de redressement et de filtrage 40 :
- The rectification and filtering circuit 40:
Ce circuit délivre une tension comprise entre 200 V et 400 V. Ce circuit permet de maintenir le fonctionnement du système alimenté quelques minutes après une coupure de la tension alternative E et de filtrer la tension redressée. Il peut être constitué, de manière connue de l'homme de l'art, d'un pont de diode chargeant un banc de condensateurs. Le courant d'appel, lors de la charge de ces condensateurs peut être limité par des résistances variables à coefficient de température positif (CTP). Une fois la charge achevée, le courant moyen diminue et la résistance des CTP devient négligeable dans le circuit. En amont du pont de diode, un filtre LC peut réduire la réinjection des perturbations conduites différentielles et de mode commun.
- Le circuit de conversion 41 :
Ce circuit peut être réalisé à l'aide d'un convertisseur continu du type 300 volts/5 volts continus de 200 Watts travaillant à des fréquences de découpage comprises entre 100 kHz et 1 MHz en fonction de la charge et offrant un rendement de 85 % à pleine charge. La plage de tension d'entrée s'étend de 200 volts à 400 volts. - Le circuit de filtrage 42 :
Des filtres et des circuits de protection disposés ici en sortie de chaquecircuit 30, mais aussi en entrée, limitent les niveaux de perturbations (sortantes ou entrantes) et isolent le système à alimenter en cas de défaillance. - Le circuit de stockage 43 :
Ce circuit 43 peut être réalisé à l'aide d'une batterie organisée par exemple en deux branches de cinq éléments de 1,2 V chacun, afin d'obtenir 6 V en sortie. Cette organisation en deux branches permet de n'avoir que 15 A de courant dans chaque branche ainsi qu'une redondance du stockage. Ainsi, en cas de défaillance de l'une des branches, l'autre peut assurer l'alimentation, l'autonomie étant divisée par plus de deux, mais restant supérieure à quelques minutes. - Le circuit de régulation 44 :
Dans l'exemple de réalisation considéré ci-dessus, la tension aux bornes de chaque branche de batterie peut varier de 8 V en charge à 5 V en fin de décharge. Or, il faut fournir en décharge une tension constante de 5,15 V en sortie, d'où la nécessité d'un régulateur pour chaque batterie.
- The conversion circuit 41:
This circuit can be produced using a 300 volt / 5 volt DC 200 Watt continuous converter working at switching frequencies between 100 kHz and 1 MHz depending on the load and offering an efficiency of 85%. fully loaded. The input voltage range is from 200 volts to 400 volts. - The filtering circuit 42:
Filters and protection circuits arranged here at the output of eachcircuit 30, but also at the input, limit the levels of disturbance (outgoing or incoming) and isolate the system to be supplied in the event of failure. - The storage circuit 43:
Thiscircuit 43 can be produced using a battery organized for example in two branches of five elements of 1.2 V each, in order to obtain 6 V at output. This organization in two branches makes it possible to have only 15 A of current in each branch as well as a redundancy of the storage. Thus, in the event of failure of one of the branches, the other can provide power, the autonomy being divided by more than two, but remaining greater than a few minutes. - The regulation circuit 44:
In the embodiment considered above, the voltage at the terminals of each battery branch can vary from 8 V on charge to 5 V at the end of dump. However, a constant voltage of 5.15 V must be supplied as a discharge, hence the need for a regulator for each battery.
Comme connu de l'homme de l'art, on peut utiliser, pour réaliser une telle régulation, un ou plusieurs transistors MOS dont la caractéristique de transductance est considérée afin de faire varier la tension drain-source. Dans ce cas, un amplificateur différentiel peut amplifier la différence entre la tension de référence, obtenue à partir d'une diode zener,et la tension effectivement mesurée à la sortie du circuit de conversion 41. La tension de référence peut être amenée à zéro par un microprocesseur ou par un détecteur de présence de tension inhibant ainsi l'action du régulateur. Lors des coupures d'alimentation, c'est ce dernier circuit qui régule la tension de sortie en décharge, alors que le microprocesseur en limite la durée.
- Le
circuit de charge 45 du circuit de stockage 43 :
- The charging
circuit 45 of the storage circuit 43:
Ce circuit peut utiliser l'une des trois techniques de charge d'une batterie Nickel-Cadmium ; le mode floating, la charge rapide ou la charge lente :
- . Le mode floating consiste à charger en
permanence le circuit 43 sous un courant faible, quel que soit l'état de celui-ci (chargé ou déchargé). Un des gros inconvénients de cette méthode est que l'on accélère le vieillissement des éléments dece circuit 43 par surcharge permanente. - . La charge rapide consiste à
charger le circuit 43 sous fort courant (par exemple 4 Ampères) pendant une heure. Cette technique a l'avantage de recharger rapidementce circuit 43, mais en accélère le vieillissement au même titre que la méthode précédente. - . La troisième solution, qui peut être avantageusement retenue, consiste à effectuer une charge lente, sous faible courant (par exemple 0,4 Ampère) pendant une durée par exemple de 16 heures. Le MTBF ("mean time before failure") du réseau EDF étant nettement supérieur à 16 heures, ceci laisse largement le temps de recharger le
circuit 43 avant d'être en présence d'une nouvelle coupure secteur. Afin de satisfaire au critère de redondance du système dans l'exemple considéré plus haut, chaque branche de batteries dispose de son chargeur. Chaque chargeur consiste par exemple en une petite alimentation à découpage dont la contre-réaction est un asservissement en courant. On obtient donc un générateur de courant, celui-ci pouvant varier de 0 à 0,7 A. Ce générateur est un hacheur-élévateur de tension à découpage travaillant depuis le 5,15 V pour recharger les batteries. La tension aux bornes de chaque branche de batteries peut atteindre 8 V en fin de charge. Une télécommande peut être prévue afin de pouvoir piloter la recharge à partir du microprocesseur.
- le circuit de contrôle/commande 46 :
- . The floating mode consists in permanently charging the
circuit 43 under a weak current, whatever the state of the latter (charged or discharged). One of the major drawbacks of this method is that the aging of the elements of thiscircuit 43 is accelerated by permanent overload. - . Fast charging consists of charging
circuit 43 under high current (for example 4 Amps) for one hour. This technique has the advantage of quickly recharging thiscircuit 43, but accelerates its aging in the same way as the previous method. - . The third solution, which can be advantageously adopted, consists in carrying out a slow charge, under low current (for example 0.4 amperes) for a duration for example of 16 hours. The MTBF ("mean time before failure") of the EDF network being clearly greater than 16 hours, this leaves plenty of time to recharge the
circuit 43 before being in the presence of a new power outage. In order to satisfy the system redundancy criterion in the example considered above, each branch of batteries has its charger. Each charger consists for example of a small switching power supply whose feedback is a current control. We therefore obtain a current generator, which can vary from 0 to 0.7 A. This generator is a chopper-step-up voltage chopper working from 5.15 V to recharge the batteries. The voltage at the terminals of each battery branch can reach 8 V at the end of the charge. A remote control can be provided in order to be able to control recharging from the microprocessor.
- the control / command circuit 46:
Ce circuit peut être réalisé par un microcontroleur, qui permet d'avoir sous un volume réduit une puissance importante de calcul et une grande souplesse pour la commande et la surveillance. De plus, il facilite un ajout ultérieur de nouvelles fonctions.This circuit can be realized by a microcontroller, which allows to have under a reduced volume a significant computing power and a great flexibility for the control and the monitoring. In addition, it facilitates the subsequent addition of new functions.
Les tâches effectuées par ce circuit 46 sont les suivantes :
- détection d'absence du secteur,
- entretien des batteries utilisées : par exemple une heure de charge à 0,4 (A) par jour,
- charge proportionnelle à la durée de décharge :
- détection des défauts du circuit de stockage 43 ; par exemple celui des blocs de batteries :
- contrôle du courant et de la tension de sortie :
- affichage de la tension et du courant de sortie.
- sector absence detection,
- maintenance of the batteries used: for example one hour of charging at 0.4 (A) per day,
- charge proportional to the duration of discharge:
- detection of faults in the
storage circuit 43; for example that of the battery packs: - output current and voltage control:
- display of output voltage and current.
La conversion analogique-numérique réalisée par le système de l'invention s'effectue par rapport à une tension référence externe ajustable. Les mesures que doit effectuer le circuit 46 sont assez disparates :
- tension secteur : 0 à 20 V (elle est prise après un transformateur),
- tension batteries : 0 à 8 V
- tension de sortie : 5,15 V
- courant de sortie (mesure d'une tension aux bornes d'un shunt) : 50 mV.
- mains voltage: 0 to 20 V (taken after a transformer),
- battery voltage: 0 to 8 V
- output voltage: 5.15 V
- output current (measurement of a voltage across a shunt): 50 mV.
Un tel circuit 46 comporte avantageusement une unité centrale 47, une mémoire vive 48 et un afficheur 49.Such a
La détection de l'absence secteur doit permettre la connexion du circuit de conversion 41 sur le circuit de stockage 43 en cas de coupure de la source alternative et réciproquement en cas de rétablissement. De manière connue de l'homme de l'art, cette fonction peut être réalisée en utilisant des détecteurs de seuils. En outre, le rôle de ce circuit 46 est de surveiller si aucun défaut n'apparaît sur le circuit de conversion 41 d'une batterie qui défaille. Pour contrôler tous ces paramètres, des mesures sont effectuées en sortie du circuit de conversion 41.The detection of the absence of the mains must allow the connection of the
Le circuit de contrôle/commande 46 peut fonctionner selon un algorithme très simple comportant une boucle principale, qui peut comporter les étapes suivantes se répétant indéfiniment :
- tester la présence secteur,
- effectuer la conversion de la tension de sortie,
- voir si elle n'est pas hors normes,
- effectuer la conversion du courant de sortie,
- écrire en mémoire la tension et le courant,
- détecter un défaut éventuel du circuit de stockage 43.
- test the sector presence,
- convert the output voltage,
- see if it is not out of the ordinary,
- convert the output current,
- write the voltage and current in memory,
- detect a possible fault in the
storage circuit 43.
Ce circuit 46 peut également comporter deux interruptions de débordement d'horloge et une interruption externe :
- . La première interruption peut être chargée de gérer la mise en marche des charges journalières du
circuit de charge 45, de calculer le temps de recharge du circuit de stockage 43 en fonction du temps de décharge, et de gérer les recharges. - . La deuxième interruption peut être chargée de rafraichir l'afficheur 49.
- . La troisième interruption peut être une interruption externe, déclenchée par l'utilisateur si celui-ci désire visualiser un défaut. En effet, si un défaut a été relevé
par le circuit 46, il suffit à l'utilisateur d'appuyer, par exemple, sur un bouton poussoir pour visualiser la nature de celui-ci sur l'afficheur 49.
- . The first interruption can be responsible for managing the starting of the daily charges of the charging
circuit 45, for calculating the recharging time of thestorage circuit 43 as a function of the discharge time, and for managing the recharges. - . The second interruption can be responsible for refreshing the
display 49. - . The third interruption can be an external interruption, triggered by the user if he wants to view a fault. Indeed, if a fault has been detected by the
circuit 46, the user need only press, for example, a push button to view the nature of the latter on thedisplay 49.
Avantageusement, l'alimentation à réserve d'énergie courte durée 30 utilise un circuit de conversion 41 continu/continu à très haute densité d'énergie qui présente un bon rendement. Ce convertisseur de tension peut donc être implanté sur un circuit imprimé et ses pertes thermiques peuvent alors être évacuées par convection thermique grâce à un dispositif de refroidissement convenable. Ce circuit de conversion 41 assure également l'isolation galvanique entre le réseau alternatif tension haute (entrée E) et la tension basse en sortie (sortie S). Il doit offrir un fort taux de régulation de la tension de sortie S en fonction des fluctuations de la tension d'entrée E et des variations de charge.Advantageously, the short-term
A ce circuit de conversion 41 est associé un circuit de stockage 43 d'énergie courte durée, rechargeable plusieurs centaines de fois après utilisation. La décharge de ce dispositif de stockage 43 intervient lors du basculement du système de l'invention vers le circuit de stockage de l'énergie moyenne durée 31.To this
Avantageusement, ce dispositif de stockage courte durée 30 peut utiliser des batteries d'accumulateur étanches sous-dimensionnées. De telles batteries peuvent délivrer une puissance très importante, pourvu qu'on limite la durée de stockage pour les protéger contre toute irréversibilité. Une telle disposition est très économique. Ce stockage pourrait également être réalisé à l'aide de condensateurs de très forte capacité (plusieurs Farads), sous un volume réduit et pouvant délivrer un courant de quelques dizaines d'ampères.Advantageously, this short-
La chaîne de secours courte durée, constituée des circuits de stockage 43, de régulation 44 et de charge 45 présente l'originalité de se connecter en un seul point : en sortie du circuit de conversion 41. Ce circuit 41 peut donc être d'un modèle commun et pourra évoluer indépendamment. La chaîne de secours prélève la puissance de charge du circuit de stockage 43 sur la sortie du circuit 41 à sa tension normale. Le circuit de charge 45 a pour rôle de rendre compatible cette tension de sortie avec la recharge du circuit de stockage 43. Ce peut être, par exemple, un élévateur de tension à découpage non isolé et à courant limité. Le couplage entre en opération dès que la tension de sortie du circuit de conversion 41 franchit un seuil bas. La mise en service d'un circuit de couplage peut être anticipée par l'observation d'un niveau bas sur la tension d'entrée. Un tel circuit a pour objet de maintenir une tension constante en sortie pendant la décharge et de limiter la durée de décharge. Dès le rétablissement de la tension de sortie du circuit de conversion 41, la décharge est interrompue. Avantageusement, ce dispositif de couplage peut être réalisé de façon simple à l'aide d'un transistor piloté par un régulateur linéaire commandé lui-même par des comparateurs de tension en sortie et en entrée, et un temporisateur de durée de décharge. Pour réduire la chute de tension au minimum (quelques dizaines de mV) à fort courant (quelques dizaines d'ampères), il est avantageux d'utiliser un transistor MOSFET faible tension, à très faible résistance interne en conduction.The short-term emergency chain, consisting of
Dans un exemple de réalisation particulier, le circuit d'alimentation à réserve courte durée 30 est une Alimentation à Réserve d'Energie 230 V/5 V 30 A offrant une autonomie de 5 à 10 mn sur batterie.In a particular embodiment, the short-term reserve
En fonctionnement normal, la tension haute alternative du réseau est convertie directement en une tension continue de sortie par le circuit de conversion 41 d'énergie principale qui peut assurer un isolement entre l'entrée E et la sortie S. Des tensions secondaires S' peuvent être obtenues par d'autres convertisseurs 16 utilisant la tension de sortie principale.In normal operation, the high AC voltage of the network is directly converted into a DC output voltage by the conversion circuit. 41 main energy which can provide isolation between the input E and the output S. Secondary voltages S 'can be obtained by
En fonctionnement secours, le circuit de stockage 43 maintient via le circuit de régulation 44, une tension constante en sortie pendant un temps volontairement limité, de manière à ne pas réduire la durée de vie du circuit de stockage 43.In emergency operation, the
Au rétablissement du fonctionnement normal, le circuit de charge 45 est mis en route jusqu'à la pleine charge du circuit de stockage 43.When normal operation is restored, the charging
Des considérations de fiabilité concernant ce circuit de stockage 43 peuvent conduire à doubler la chaîne de secours.Reliability considerations concerning this
Dans cet exemple de réalisation, les fonctions vitales sont bâties en électronique non programmée, tandis que celles de haut niveau sont traitées par un microcontrôleur qui, par ailleurs renseigne via l'afficheur 49 sur l'état du système de l'invention.In this exemplary embodiment, the vital functions are built in unprogrammed electronics, while those of high level are processed by a microcontroller which, moreover, provides information via the
Plusieurs améliorations du circuit d'alimentation de réserve courte durée sont possibles. A savoir étendre la surveillance ainsi que lui ajouter un rôle de sauvegarde des données mesurées pour que celles-ci puissent être lues à distance via un réseau de télégestion.Several improvements to the short-term reserve supply circuit are possible. Namely, to extend monitoring as well as to add a role of saving the measured data so that it can be read remotely via a remote management network.
Chaque circuit de stockage 43 peut comporter des branches de batteries conçues de façon modulaire : chargeurs, régulateurs et batteries. Le circuit de conversion 41 lui-même peut être un module d'alimentation déjà prévu pour fonctionner en parallèle avec d'autres modules. On peut donc facilement augmenter la puissance si nécessaire.Each
A titre d'exemple, pour un système de télécommunication de moyenne capacité raccordé à 30 000 abonnés, le système de l'invention peut comporter une centaine de circuits d'alimentation à réserve d'énergie courte durée 30 de 200 Watts chacun.By way of example, for a medium-capacity telecommunications system connected to 30,000 subscribers, the system of the invention may include around one hundred short-term power
Claims (3)
- An uninterrupted, distributed storage supply system for sensitively operating systems supplied from the public electric energy distribution mains (10) or an emergency power supply (11) producing an equivalent voltage, characterized in that it comprises at least one short term energy reserve supply circuit (30) associated with each supplied system and a medium term energy reserve supply circuit 31 having a reaction delay shorter than the autonomy delay of the short term energy reserve supply circuit.
- System according to claim 1, characterized in that the medium term energy reserve supply circuit (31) comprises a wiggler (33).
- System according to either of the claims 1 and 2, characterized in that a short term energy reserve supply circuit (30) successively comprises between its input (E) and its output (S) a rectifying and filtering circuit (40), a conversion circuit (41), a filtering circuit (42), an emergency chain incorporating a storage circuit (43), a regulating circuit (44), a charging circuit (45) for the storage circuit (42) and a conttrol/checking circuit (46) for each of the aforementioned circuits.
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